基于極限撞速的漁船舷側結構耐撞性研究*

廖顯庭 王 威 劉成崗 陳爐云

(中國艦船研究設計中心1) 武漢 430064) (武漢大學土木建筑工程學院2) 武漢 430072) (上海交通大學海洋工程國家重點實驗室3) 上海 200240)

基于極限撞速的漁船舷側結構耐撞性研究*

廖顯庭1)王 威1,2)劉成崗1)陳爐云3)

(中國艦船研究設計中心1)武漢 430064) (武漢大學土木建筑工程學院2)武漢 430072) (上海交通大學海洋工程國家重點實驗室3)上海 200240)

以單殼體漁船的船首-舷側正碰形式為例，分析了漁船的結構損傷、能量轉化及結構變形等碰撞力學特性.提出以提高極限撞速為基礎漁船結構耐撞性評價模型，并進行數值計算，提出了增加縱向結構強度可有效改善舷側結構的耐撞性的設計建議.

極限速度；漁船；耐撞性；評價模型

0 引 言

船舶碰撞是船-船之間在短時間內的巨大沖擊現象，是一個瞬態的、強非線性的結構動力響應過程.胡志強等[1]對船舶碰撞機理與耐撞性結構設計進行綜述，探討了影響船舶結構耐撞性的因素.馮清海等[2]從碰撞能量的角度、劉元丹等[3]從結構破壞形式的角度、Wang等[4]從結構材料失效的角度出發分別對船舶碰撞問題開展了研究.

耐撞性結構設計是開展船舶碰撞研究的目標之一.目前，大多數的船舶耐撞性研究是針對被撞船的舷側結構.Sun等[5-8]以提高結構吸能能力建立了結構耐撞性優化方程，獲得了包括使用復合材料在內的結構設計與改進建議.耐撞性指標是船舶結構耐撞性優化的關鍵.對于耐撞性指標的定義，陳爐云等[9]基于塑性應變衡準和撞深衡準開展了快艇結構耐撞性評價，李俊來等[10]提出通過增加接觸摩擦來降低碰撞速度的優化措施.不管從能量角度還是從降低碰撞速度角度出發，其目的都是通過結構的改進達到提高結構吸收能量的能力.基于此目標，提出了以提高船舶結構極限撞擊速度的結構耐撞性優化模型，并用數值計算進行了驗證.

1 結構耐撞性優化模型

在船舶結構耐撞性設計中，對結構耐撞性實施評價需定義耐撞指標ξ(crashworthiness index)，該指標為船舶結構設計與優化提供理論基礎和考核指標.

在船舶結構碰撞中，結構吸能能力表示在某一極限狀態下單位質量結構吸收能量的大小，反映了結構材料有效利用率，將其定義為結構耐撞性指標，并寫成

(1)

式中：Ed為撞擊區結構的吸能量；mc為撞擊區結構質量.增加結構質量會影響船舶性能及建造成本，因而通過簡單地增加結構質量來提高結構耐撞性具有一定的局限性.

對于確定的船-船碰撞模式，所吸收的能量是由撞擊船動能所轉化，是撞擊速度的函數，即：

(2)

式中：V為撞擊船撞速，代入式(1)可寫成βc=f(V)/mc.結構吸收能量與撞擊船速度呈正相關性(基本與速度的平方關系吻合),因此，如船舶結構具有更好的吸能能力，則表明該結構能承受更高的撞擊速度.

同時，被撞船結構最大塑性應變εp(plastic strain)也定義為結構耐撞性指標，并寫成

(3)

式中:ε(x)為被撞船船體破壞時的結構塑性應變，表示結構材料失效形式.船舶結構耐撞性設計目標之一是追求結構有比較小的最大塑性應變.

根據結構能量吸收指標和結構最大塑性應變指標，建立漁船結構耐撞性歸一化模型

(4)

根據式(4)，結合漁船結構碰撞數值計算，獲得耐撞性優化結構.從被撞船角度出發，提高結構耐撞性就能承受更高的撞擊速度.對于確定的船-船碰撞模式，存在著一個速度值，即當撞擊船的速度超過該值時則被撞船將發生結構破損，將此速度定義為極限撞擊速度.

2 耐撞漁船結構概述

選取2艘相同型號漁船為研究對象，分析1艘漁船船艏正撞另1艘漁船船舷結構的碰撞情景.最后，以提高被撞船的極限撞擊速度為目標，提出船舶耐撞性結構優化建議.

2.1 漁船基本參數

研究對象是1艘單底、雙甲板橫骨架式全焊接結構的漁船.基本設計參數：船長L= 53.38m、型寬B=9.80m、型深D=5.00m.排水量為1 419.8t.在漁船32#～71#肋位間布置3個大的貨艙，貨艙周圍結構比較薄弱.

2.2 碰撞工況定義

船-船碰撞工況定義如下：2艘漁船在碰撞時都處于正浮狀態且吃水狀態相同，此時1艘漁船垂直撞擊另1艘漁船的舷側部位，撞擊船的船速為12kn(約6.2m/s).撞擊位置在被撞船的40#肋位處.船-船碰撞情景見圖1.

圖1 船-船碰撞

2.3 材料特性

2艘漁船均采用船用結構鋼建造，綜合有限元模型網格大小因素，結合文獻[11]，結構材料的碰撞力學特性定義如下：線性強化彈塑性材料、材料屈服模型為雙線性模型、材料失效準為最大塑性應變.材料力學參數如下：材料密度ρ=7 800kg/m3；彈性模量E=2.1×1011Pa；泊松比μ=0.3；硬化模量Eh=2.1×1011Pa；屈服應力[σ]=255MPa；最大塑性應變εmax=0.34.

2.4 漁船有限元模型

在有限元模型中，單元類型有板單元(板材結構)、梁單元(骨材、支撐等結構)和點單元(集中質量).有限元模型包括77 152個節點、106 756個單元(包括83 852個殼單元、22 902個梁單元和2個集中質量單元).定義柴油機、發電機組為集中質量形式.

漁船外底板與水接觸，需考慮附連水質量的影響.結合文獻[12]，船舶的縱移或橫移的附連水質量可通過Motora經驗公式確定，并用變結構密度法進行處理.

3 漁船碰撞數值分析

利用MSC/Dytran程序開展漁船碰撞的數值計算，分析被撞船結構破損、結構變形、能量變化等，數值計算時間約為0.5s.

3.1 被撞船應力云圖

數值計算表明，撞擊船以6.2m/s的速度撞擊被撞漁船，此時被撞船舷側結構發生破壞.圖2為在t=0.1，0.2，0.23，0.3，0.4，0.5s時刻被撞船結構的應力云圖.

圖2 舷側結構應力云圖

由圖2可知，在t=0.23s時，被撞船舷側結構開始發生了部分破損，圖中白色長條部分區域.結構的破損形式為一個肋位處的外板發生撕裂，撕裂區域隨時間的增加而增大.

4 結構耐撞性優化

4.1 結構優化模型

由3可知，在撞擊速度為6.2m/s時被撞船將發生破壞.通過進一步數值計算，在撞擊船以5.9m/s的撞擊速度撞擊被撞漁船，此時被撞船結構沒有破壞，認為此速度為漁船結構極限撞擊速度.

為提高被撞船結構的耐撞性，由式(4)可知在確保結構不破壞情況下，控制漁船結構質量條件下，撞擊船的撞擊速度是關鍵性指標.此式(4)可寫成

Find:X=(x1,x2,…,xi)T∈Rn

(5)

式中：G*優化后結構質量；G0優化前結構質量.

4.2 結構優化形式

在漁船舷側結構中，需要增加縱向結構強度.基于此理念，在32#～45#的肋位舷側結構(即3號艙)位置處的側板上增加2根縱向的T型縱桁，見圖3.2根T型縱桁在Z方向的高度分別約為1.9m和3.9m，并與艙壁的水平桁相連接.T型縱桁型號為T8×200/10×100.

圖3 結構加強圖

舷側結構在增加T型縱桁后，為滿足式(5)的質量控制條件，需將該區域內其他肋骨尺寸定義為設計變量.具體措施是優化型號T8×200/10×100骨材和型號T10×300/12×150骨材的結構尺寸.結合常用骨材型號，可得如下優化結果：型號T8×200/10×100骨材優化成型號T8×160/10×100骨材，型號T10×300/12×150骨材優化成型號T10×250/12×150骨材.通過結構優化后，漁船船體結構總質量基本保持不變.

4.3 優化結構極限撞擊速度

對優化后的漁船結構進行碰撞數值分析，當撞擊速度為6.2m/s時漁船結構沒有發生破損，結構是安全的，耐撞性優化是有效的.

為進一步驗證結構優化效果，以0.1m/s的步長逐步增加撞擊速度.通過數值計算，被撞船在承受6.4m/s的撞擊速度下結構沒有發生破壞，而被撞船在承受6.5m/s的撞擊速度下結構發生了破壞，認為6.4m/s為優化結構的極限撞擊速度.

4.4 被撞船應力云圖

圖4為結構優化后舷側結構在6.4m/s撞擊速度下t=0.043，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5s時刻的結構應力云圖.在t=0.2s時，被撞漁船舷側結構一部分結構達到了塑性變形狀態，但在整個的碰撞計算過程中，被撞漁船的舷側結構沒有出現破損.

由圖4可知，在增加了2根T型縱桁且保持總質量不變情況下，漁船舷側結構沒有發生破損撕裂現象，結構能承受更高的極限撞擊速度，由5.9m/s增加到6.4m/s.顯然，漁船舷側結構的吸收能量的能力有了提高.

圖4 舷側結構應力云圖

4.4 被撞船結構撞深

結構撞深表示船舶在碰撞過程中結構被壓潰的位移，直觀地反映了被撞船的損傷程度.圖5為被撞船舷側結構在碰撞點處的最大結構撞深曲線.在碰撞后期，撞深有所減小，說明被撞船結構有所反彈.圖5中 “初始結構”為優化前受6.2m/s撞擊速度下的結構撞深曲線，“優化結構”為結構優化后受6.4m/s撞擊速度下的結構撞深曲線.

圖5 被撞船撞深隨時間的變化曲線

由圖5可知，2根撞深曲線最大值基本相等，撞擊速度的差異表明結構優化的有效性；從反彈幅度來看，優化后結構反彈性更大，這表明結構具有更好的承受撞擊的能力.

4.5 變形能

能量轉化曲線反映了碰撞過程中能量的轉化情況.在碰撞過程中，撞擊船動能一部分轉化為被撞船吸收的彈塑性變形能，變形能隨碰撞時間的變化，見圖6.圖6中， “初始結構”曲線為結構優化前受6.2m/s撞擊速度下的被撞船結構單位質量變形能曲線，“優化結構”曲線為結構優化后受6.4m/s撞擊速度下的被撞船結構單位質量變形能曲線.

圖6 變形能隨時間的變化曲線

由圖6可知，結構優化以后撞擊區的結構單位質量吸收能量的能力明顯增強，這表明結構優化有效地提高了結構耐撞性能.

結合圖5～6，實施結構優化提高了漁船結構的極限撞擊速度，使舷側結構具有更好的耐撞特性.

5 結 論

1) 舷側結構增加縱向T型梁后，漁船具有更強的耐撞能力，能承受高于6.2m/s的撞擊速度(6.4m/s)，提高了船舶的結構安全性；

2) 以最大極限撞擊速度為衡準，可有效評價船舶結構的耐撞能力.

[1]胡志強,崔維成.船舶碰撞機理與耐撞性結構設計研究綜述[J].船舶力學,2005,9(2):131-142.

[2]馮清海,吳宏波.基于能量的船橋碰撞力計算方法[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2013，37(5):943-946．

[3]劉元丹,劉敬喜,肖曙明,等.雙殼船內殼和外殼結構耐撞性能的分析和比較[J].中國造船,2012,53(3):122-128.

[4]WANG L L, YANG L M, HUANG D J, et al. An impact dynamics analysis on a new crashworthy device against ship-bridge collision[J]. International Journal of Impact Engineering,2008,35:895-904.

[5]SUN B, HU Z Q, WANG G. An analytical method for predicting the ship side structure response in raked bow collisions[J]. Marine Structures,2015,41:288-311.

[6]FORSBERG J, NILSSON L. Evaluation of response surface methodologies used in crashworthiness optimization[J]. International Journal of Impact Engineering,2006,32:759-777.

[7]HOU S J, LI Q, LONG S Y, et al. Multiobjective optimization of multi-cell sections for the crashworthiness design[J]. International Journal of Impact Engineering,2008,35:1355-1367.

[8]王自力,張延昌.基于夾層板的單殼船體結構耐撞性設計[J].中國造船,2008,49(1):60-65.

[9]陳爐云,侯國華,張裕芳.小型快艇結構耐撞性研究[J].中國艦船研究,2012,7(5):27-32.

[10]李俊來,謝永和,陳景昊,等.基于低速碰撞下的三用工作船船體結構響應分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2014,38(2):329-337．

[11]歐碧峰,王君杰.帶防撞設施的船橋碰撞數值模擬[J].計算機輔助工程,2006,15(增刊):75-77．

[12]王自力,蔣志勇,顧永寧.船舶碰撞數值仿真的附加質量模型[J].爆炸與沖擊,2002,22(10):321-326.

Structural Crashworthiness Analysis of Fishing Vessels Based on Critical Velocity

LIAO Xianting1)WANG Wei1,2)LIU Chenggang1)CHEN Luyun3)

(ChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064,China)1)(SchoolofCivilEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)2)(StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)3)

Taking the single broadside structure of fishing vessels as an example, the collision characteristics such as the structure damage, energy transformation and structure deformation are discussed in present article. The structural crashworthiness optimization model is established, in which the safety critical velocity is defined as the objective function. With numerical analysis, the design optimization is carried out. The results show that the longitudinal structure can improve the crashworthiness of the broadside structure.

critical velocity; fishing vessels; crashworthiness; evaluation model

2016-10-28

*南海漁船高效節能設計應用技術研究項目資助(工信部聯裝2012-542)

U661.42

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.027

廖顯庭(1985—)：男，碩士，工程師，主要研究領域為艦船總體設計